CN110515185A - 一种大孔径定焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大孔径定焦光学系统，其技术方案的要点是沿光轴按从物体侧到像面侧的顺序，依次设有具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有零光焦度的平行平板、设置于第三透镜和第四透镜间的孔径光阑、以及光成像元件；本发明从较简单初始结构开始不断进行合理的分裂和优化，利用光学设计软件进行最小阻尼二乘法计算得到最好的性能。使用多个偶次非球面，可以实现多种像差的校正工作，从而实现高性能、大孔径的定焦光学系统。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种大孔径定焦光学系统。
【背景技术】
定焦距镜头是具有固定焦距长度的镜头，其具有特定的视场角度，在成像过程中光学镜头和成像面保持不动。
随着计算机技术的发展和光学设计理论以及加工工艺的日趋成熟，定焦距镜头已经广泛应用到国民经济和安防建设等各个领域中。
随着定焦距光学系统在诸多领域的应用越来越多，它的研究设计已经引起更多的设计人员的深厚兴趣，特别是如今的定焦距光学系统向着更大的孔径、更小的体积、更高成像质量的发展方向。
目前安防、车载用的定焦距光学镜头普遍存在这样的缺点：镜头的数值孔径普遍偏小，在设计阶段数值孔径的增加，会导致轴向像差急剧增加，其中尤其对球差、正弦差和位置色差影响较大。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种大孔径定焦光学系统，具体大孔径、像面均匀性好、成像质量高、体积小、易于加工等优点。
为了实现上述目的，本发明从简单的初始结构开始，逐渐依次矫正各级像差，对于赛德尔像差较大的结构进行合理的镜片分裂，以保证像差有效的矫正。利用光设软件运用最小阻尼二乘法对特定像差进行合理的优化，另外在设计过程中使用多个偶次非球面面型，用来进一步矫正光学系统的像差；最终实现高性能的大孔径定焦光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大孔径定焦光学系统，其特征在于：沿光轴按从物体侧到像面侧的顺序，依次设有具有负光焦度的第一透镜L1、
具有负光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、
具有正光焦度的第四透镜L4、具有负光焦度的第五透镜L5、
具有正光焦度的第六透镜L6、具有正光焦度的第七透镜L7、
具有负光焦度的第八透镜L8、具有正光焦度的第九透镜L9、
具有零光焦度的平行平板L10、设置于第三透镜L3和第四透镜L4间的孔径光阑S19、以及光成像元件S20；
第一透镜L1、第二透镜L2、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9的表面面型均为偶次非球面面型，使用的材料均为塑胶材料；
所述第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6表面面型均为球面面型，使用的材料均为玻璃材料；
所述第十透镜L10使用的材料均为玻璃材料，透镜表面为平面。
如上所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所述的第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6通过光学胶水粘合在一起成为粘合透镜。
如上所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面S1、第一透镜像侧面S2、第二透镜物侧面S3、第二透镜像侧面S4、第三透镜物侧面S5、第三透镜像侧面S6、第四透镜物侧面S7、第四透镜像侧面S8；第五透镜物侧面S9、第五透镜像侧面S10、第六透镜物侧面S11、第六透镜像侧面S12、第七透镜物侧面S13、第七透镜像侧面S14、第八透镜物侧面S15、第八透镜像侧面S16、第九透镜物侧面S17、第九透镜像侧面S18；
第一透镜物侧面S1为凸向物方的凸面，第一透镜像侧面S2为凸向物方的凹面；
第二透镜物侧面S3为凸向像方的凹面，第二透镜像侧面S4为凸向像方的凸面；
第三透镜物侧面S5为凸向物方的凸面，第三透镜像侧面S6为凸向像方的凸面；
第四透镜物侧面S7为凸向物方的凸面，第四透镜像侧面S8为凸向像方的凸面；
第五透镜物侧面S9与第四透镜像侧面S8有相同的表面半径，第五透镜像侧面S10为凸向物方的凹面；
第六透镜物侧面S11与第五透镜像侧面S10有相同的表面半径，第六透镜像侧面S12为凸向物方的凹面；
第七透镜物侧面S13为凸向物方的凸面，第七透镜像侧面S14为凸向像方的凸面；
第八透镜物侧面S15为凸向像方的凹面，第八透镜像侧面S16为凸向物方的凹面；
第九透镜物侧面S17为凸向物方的凸面，第九透镜像侧面S18为凸向像方的凸面。
如上所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所有透镜的相对位置固定不动。
如上所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜L3、所述第四透镜L4、所述第五透镜L5、所述第六透镜L6的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.8466及v＝23.7873、n＝1.4969及v＝81.6083、n＝1.6034及v＝38.0091、n＝1.4969及v＝81.6083，所述平行平板L10的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.5163及v＝64.1435。
如上所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：
所述第一透镜L1、所述第二透镜L2、所述第七透镜L7、所述第八透镜L8、所述第九透镜L9的表面面型均为偶次非球面面型，其坐标表达式为
其中，C为光学面半径所对应的曲率，y为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8分布表示各个径向坐标所对应的系数。
如上所述大孔径定焦光学系统，其特征在于：该光学系统塑胶镜片总的正光焦度等于塑胶镜片总的负光焦度。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明从较简单初始结构开始不断进行合理的分裂和优化，利用光学设计软件进行最小阻尼二乘法计算得到最好的性能。且本发明使用多个偶次非球面，可以实现多种像差的校正工作，从而实现高性能、大孔径的定焦光学系统。
2、本发明在能实现大孔径设计要求的基础上，还能进一步实现此光学系统的无热化，本发明设计系统里面的塑胶镜片的光焦度按照特定的方式搭配，即正光焦度的塑胶镜片和负光焦度的塑胶镜片进行搭配，使整个光学系统塑胶镜片的总的正光焦度等于塑胶镜片的总的负光焦度；在设计中充分考虑镜头在高温环境和低温环境中的性能变化，有的放矢，对不同状态下的性能进行优化，从而实现无热化的目的，最终实现高性能的大孔径无热化定焦光学系统。
【附图说明】
图1是本发明光学系统的平面示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
一种大孔径定焦光学系统，其特征在于：沿光轴按从物体侧到像面侧的顺序，依次设有具有负光焦度的第一透镜L1、
具有负光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、
具有正光焦度的第四透镜L4、具有负光焦度的第五透镜L5、
具有正光焦度的第六透镜L6、具有正光焦度的第七透镜L7、
具有负光焦度的第八透镜L8、具有正光焦度的第九透镜L9、
具有零光焦度的平行平板L10、设置于第三透镜L3和第四透镜L4间的孔径光阑S19、以及光成像元件S20；
第一透镜L1、第二透镜L2、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9的表面面型均为偶次非球面面型，使用的材料均为塑胶材料；
所述第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6表面面型为球面面型，使用的材料均为玻璃材料；
所述第十透镜L10使用的材料均为玻璃材料，透镜表面为平面。
进一步地，每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面S1、第一透镜像侧面S2、第二透镜物侧面S3、第二透镜像侧面S4、第三透镜物侧面S5、第三透镜像侧面S6、第四透镜物侧面S7、第四透镜像侧面S8；第五透镜物侧面S9、第五透镜像侧面S10、第六透镜物侧面S11、第六透镜像侧面S12、第七透镜物侧面S13、第七透镜像侧面S14、第八透镜物侧面S15、第八透镜像侧面S16、第九透镜物侧面S17、第九透镜像侧面S18；
第一透镜物侧面S1为凸向物方的凸面，第一透镜像侧面S2为凸向物方的凹面；
第二透镜物侧面S3为凸向像方的凹面，第二透镜像侧面S4为凸向像方的凸面；
第三透镜物侧面S5为凸向物方的凸面，第三透镜像侧面S6为凸向像方的凸面；
第四透镜物侧面S7为凸向物方的凸面，第四透镜像侧面S8为凸向像方的凸面；
第五透镜物侧面S9与第四透镜像侧面S8有相同的表面半径，第五透镜像侧面S10为凸向物方的凹面；
第六透镜物侧面S11与第五透镜像侧面S10有相同的表面半径，第六透镜像侧面S12为凸向物方的凹面；
第七透镜物侧面S13为凸向物方的凸面，第七透镜像侧面S14为凸向像方的凸面；
第八透镜物侧面S15为凸向像方的凹面，第八透镜像侧面S16为凸向物方的凹面；
第九透镜物侧面S17为凸向物方的凸面，第九透镜像侧面S18为凸向像方的凸面。
从实际摄影操作中，所有透镜的相对位置固定不动。
第一透镜L1、第二透镜L2、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9的表面面型均为偶次非球面面型，其坐标表达式为
其中，C为光学面半径所对应的曲率，y为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8分布表示各个径向坐标所对应的系数，其系数如下。
第一透镜像侧面S2，k＝-2.155247，a1＝0，a2＝-0.012156519，a3＝-2.2126875e-006，a4＝4.0717384e-006，a5＝3.833544e-008，a6＝-2.2969135e-010，a7＝4.5263361e-011，a8＝-1.2105775e-012。
第二透镜物侧面S3，k＝1.57775，a1＝0，a2＝-1.4715225e-005，a3＝-2.2348089e-005，a4＝2.3022382e-006，a5＝1.4358998e-007，a6＝-3.5878651e-011，a7＝-2.9986034e-010，a8＝4.0338884e-011。
第二透镜物侧面S3，k＝-10.8704078，a1＝0，a2＝0.0045210941，a3＝-0.00512929353，a4＝1.346324e-006，a5＝-1.5738936e-008，a6＝1.3414303e-010，a7＝1.0120568e-010，a8＝-1.8132908e-011。
第二透镜像侧面S4，k＝-9.413823，a1＝0，a2＝-0.00470921866，a3＝0.00020477014，a4＝-1.1943091e-005，a5＝8.782099e-007，a6＝-2.4555203e-008，a7＝1.2083207e-010，a8＝2.5769962e-012。
第七透镜物侧面S13，k＝-4.0975，a1＝0，a2＝0.002563647，a3＝-4.2258304e-005，a4＝1.4282323e-006，a5＝-3.8499252e-008，a6＝4.7923658e-010，a7＝7.5431567e-012，a8＝5.5444299e-014。
第七透镜像侧面S14，k＝-40.64027，a1＝0，a2＝-0.00549539578，a3＝5.6784698e-005，a4＝-3.781796e-006，a5＝2.0218962e-007，a6＝-4.7575467e-009，a7＝-7.5247269e-012，a8＝-1.3401328e-012。
第八透镜物侧面S15，k＝-5.991043，a1＝0，a2＝0.00758147897，a3＝3.945477e-005，a4＝-3.221951e-006，a5＝1.4263595e-007，a6＝-9.4125395e-010，a7＝-6.1459863e-011，a8＝-1.24965e-012。
第八透镜像侧面S16，k＝-29.74213，a1＝0，a2＝-8.6789846e-005，a3＝0.00426522461，a4＝-1.7408365e-005，a5＝8.2797722e-007，a6＝-1.703911e-008，a7＝9.2373073e-011，a8＝-4.0272737e-012。
第九透镜物侧面S17，k＝-5.291043，a1＝0，a2＝0.00048147897，a3＝3.925447e-005，a4＝-3.291951e-006，a5＝1.2067895e-007，a6＝-9.14225395e-010，a7＝-6.4259863e-011，a8＝-1.25365e-012。
第九透镜像侧面S18，k＝-28.78213，a1＝0，a2＝-3.6589846e-005，a3＝0.00726522461，a4＝-8.9408365e-005，a5＝3.2097722e-007，a6＝-1.503911e-008，a7＝7.5373073e-011，a8＝-2.0072737e-012。
所述第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.8466及v＝23.7873、n＝1.4969及v＝81.6083、n＝1.6034及v＝38.0091、n＝1.4969及v＝81.6083，所述的平行平板L10的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.5163及v＝64.1435。
所述镜头的可视水平角度为54°，F数为1.3；焦距为8.5mm，整体总厂为30mm，可探测的波长范围是400nm～870nm，主波长为546nm。
第一透镜L1和第二透镜L2都是负光焦度，对光线的传播起到发散的作用，在本发明中其目的是减小轴外视场光线的偏小，从而减小轴外像差的影响；第一透镜L1和第二透镜L2都是采用偶次非球面面型，增加非球面的使用目的是进一步改善轴外视场的像差，提高边缘视场的成像质量，进一步，可以改善镜头整体的畸变像差，减小成像画面的变形影响。
第三透镜L3具有正光焦度，对光线的传播起到汇聚的作用，在本发明中的目的是使通过第三透镜L3后的光线可以在孔径光阑S19出汇聚，从而减小光阑像差；进一步，第三透镜L3采用折射率n及阿贝数v分别是n＝1.8466及v＝23.7873的光学玻璃，较高的折射率使实现大孔径设计成为可能。
第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6为胶合在一起的透镜，通过光学胶水粘合在一起，折射率n及阿贝数v分别是n＝1.4969及v＝81.6083、n＝1.6034及v＝38.0091、n＝1.4969及v＝81.6083，通过这样的组合可以最大程度的矫正光学系统的色差，从而提高成像质量。
第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9分别具有正光焦度、负光焦度和正光焦度。这种组合方式可以进一步校正光学系统中剩余的色差，这三个透镜均为偶次非球面面型，非球面的使用可以更好的优化光学系统中的像差；特别的，第九透镜L9采用的偶次非球面面型，可以有效的校正光学系统中的像面弯曲像差，从而提高整体画面的一致性，使整个画面的各个位置都会清晰成像。
上述第一透镜L1、第二透镜L2、第七透镜L7和第八透镜L8、第九透镜L9均为塑胶镜片，且第一透镜L1、第二透镜L2和第八透镜L8为负光焦度，第七透镜L7、第九透镜L9为正光焦度，正光焦度的塑胶镜片和负光焦度的塑胶镜片进行搭配，并且整个光学系统塑胶镜片总的正光焦度等于塑胶镜片总的负光焦度。这样的搭配在不同的温度环境中，镜片的变形量会相互补偿，实现无热化，对不同温度下分别优化误差函数和后焦偏移量来提高整体性能，从而实现在高温环境和低温环境中成像仍然清晰。
平行平板L10放置在光学透镜与感光成像元件S20之间，其作用是过滤掉多余波段范围的光线，防止其他光谱范围的光线进入感光成像元件造成光污染，影响成像质量。
综上所述，借助于发明的上述技术方案，可以使得镜头在实际成像过程中实现大孔径，相对畸变较小，像面弯曲影响较小，画面成像更均匀，成像质量更高的功能。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种大孔径定焦光学系统，其特征在于：沿光轴按从物体侧到像面侧的顺序，依次设有具有负光焦度的第一透镜(L1)、
具有负光焦度的第二透镜(L2)、具有正光焦度的第三透镜(L3)、
具有正光焦度的第四透镜(L4)、具有负光焦度的第五透镜(L5)、
具有正光焦度的第六透镜(L6)、具有正光焦度的第七透镜(L7)、
具有负光焦度的第八透镜(L8)、具有正光焦度的第九透镜(L9)、
具有零光焦度的平行平板(L10)、设置于第三透镜(L3)和第四透镜(L4)间的孔径光阑(S19)、以及光成像元件(S20)；
第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第九透镜(L9)的表面面型均为偶次非球面面型，使用的材料均为塑胶材料；
所述第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)表面面型均为球面面型，使用的材料均为玻璃材料；
所述第十透镜(L10)使用的材料均为玻璃材料，透镜表面为平面。
2.根据权利要求1所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所述的第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)通过光学胶水粘合在一起成为粘合透镜。
3.根据权利要求2所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面(S1)、第一透镜像侧面(S2)、第二透镜物侧面(S3)、第二透镜像侧面(S4)、第三透镜物侧面(S5)、第三透镜像侧面(S6)、第四透镜物侧面(S7)、第四透镜像侧面(S8)；第五透镜物侧面(S9)、第五透镜像侧面(S10)、第六透镜物侧面(S11)、第六透镜像侧面(S12)、第七透镜物侧面(S13)、第七透镜像侧面(S14)、第八透镜物侧面(S15)、第八透镜像侧面(S16)、第九透镜物侧面(S17)、第九透镜像侧面(S18)；
第一透镜物侧面(S1)为凸向物方的凸面，第一透镜像侧面(S2)为凸向物方的凹面；
第二透镜物侧面(S3)为凸向像方的凹面，第二透镜像侧面(S4)为凸向像方的凸面；
第三透镜物侧面(S5)为凸向物方的凸面，第三透镜像侧面(S6)为凸向像方的凸面；
第四透镜物侧面(S7)为凸向物方的凸面，第四透镜像侧面(S8)为凸向像方的凸面；
第五透镜物侧面(S9)与第四透镜像侧面(S8)有相同的表面半径，第五透镜像侧面(S10)为凸向物方的凹面；
第六透镜物侧面(S11)与第五透镜像侧面(S10)有相同的表面半径，第六透镜像侧面(S12)为凸向物方的凹面；
第七透镜物侧面(S13)为凸向物方的凸面，第七透镜像侧面(S14)为凸向像方的凸面；
第八透镜物侧面(S15)为凸向像方的凹面，第八透镜像侧面(S16)为凸向物方的凹面；
第九透镜物侧面(S17)为凸向物方的凸面，第九透镜像侧面(S18)为凸向像方的凸面。
4.根据权利要求3所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所有透镜的相对位置固定不动。
5.根据权利要求3所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜(L3)、所述第四透镜(L4)、所述第五透镜(L5)、所述第六透镜(L6)的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.8466及v＝23.7873、n＝1.4969及v＝81.6083、n＝1.6034及v＝38.0091、n＝1.4969及v＝81.6083，所述平行平板(L10)的折射率n及阿贝数v分别是n＝1.5163及v＝64.1435。
6.根据权利要求3所述的大孔径定焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜(L1)、所述第二透镜(L2)、所述第七透镜(L7)、所述第八透镜(L8)、所述第九透镜(L9)的表面面型均为偶次非球面面型，其坐标表达式为
其中，C为光学面半径所对应的曲率，y为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8分布表示各个径向坐标所对应的系数。
7.根据权利要求1至6任一项所述大孔径定焦光学系统，其特征在于：该光学系统塑胶镜片总的正光焦度等于塑胶镜片总的负光焦度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111856717A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-10-30 | 浙江舜宇光学有限公司 | 一种光学成像镜头 |
| WO2022077604A1 (zh) * | 2020-10-12 | 2022-04-21 | 诚瑞光学(深圳)有限公司 | 摄像光学镜头 |
-
2019
- 2019-09-24 CN CN201910904695.9A patent/CN110515185A/zh active Pending
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| CN111856717B (zh) * | 2020-08-18 | 2023-12-15 | 浙江舜宇光学有限公司 | 一种光学成像镜头 |
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